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JP5837300B2 - Method and apparatus for scoring and separating brittle materials with a single radiation beam - Google Patents
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Method and apparatus for scoring and separating brittle materials with a single radiation beam Download PDF

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Description

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本出願は、2007年5月15日に出願され、「Method and Apparatus for Scoring and Separating a Brittle Material with a Single Beam of Radiation」と題する米国特許出願第11/803428号に関連し、その開示内容は参照により本明細書に援用される。   This application was filed on May 15, 2007, and is related to US patent application Ser. No. 11/803428, entitled “Method and Apparatus for Scoring and Separating a Brite Material with a Single Beam of Radiation”. Which is incorporated herein by reference.

本発明は、脆弱材料を分離する方法および装置に関し、特に、単一放射線ビームのみを用いてガラス基板に対しスコアリング(刻み目形成)および分離の両方を行う方法に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for separating fragile materials, and more particularly to a method for scoring and separating glass substrates using only a single radiation beam.

ガラス板は、従来、機械的手段によって割断または分離される。機械的手段により、ガラスは、所定経路に沿ってスコアリングが施され(刻み目が形成され)、その後、板の一方または両方の部分に機械的曲げ力が加えられることにより板が分離される。スコアリングステップ中、板の厚さ全体の一部のみに伸びるメディアン(開口(vent))クラックが形成される。   Glass plates are conventionally cleaved or separated by mechanical means. By mechanical means, the glass is scored along a predetermined path (scored) and then the plates are separated by applying mechanical bending forces to one or both portions of the plate. During the scoring step, median (vent) cracks are formed that extend only to a portion of the overall thickness of the plate.

別の従来の方法では、板に初期亀裂を形成する。そして、その亀裂にレーザを向けることにより、ガラスを加熱し、亀裂を所定経路に沿って伸長させる。Kondratenkoによる特許文献1には、ビームスポットが短い楕円形状を有しスポットの最長軸が20mm未満であるプロセスが記載されている。報告されているスコアリング速度は低く、ガラスタイプに応じて約10mm/秒〜120mm/秒の間の範囲で変化した。Allaireらによる特許文献2は、最長軸が40mmを超える、著しく長い楕円形スポットを教示している。Hoekstraらによる特許文献3は、スコアリング速度を上昇させるために、スコアリングビームに先立って複数のレーザビームを用いることを開示している。特許文献4には、スコアリング速度を上昇させるためにいくつかのビームを用いることに基づく同様の手法が教示されている。   Another conventional method forms an initial crack in the plate. And by directing a laser to the crack, glass is heated and a crack is extended | stretched along a predetermined path | route. Patent Document 1 by Kondrenenko describes a process in which a beam spot has a short elliptical shape and the longest axis of the spot is less than 20 mm. The reported scoring speed was low and varied between about 10 mm / sec to 120 mm / sec depending on the glass type. U.S. Pat. No. 6,057,038 to Allaire et al. Teaches a significantly longer elliptical spot with the longest axis exceeding 40 mm. U.S. Pat. No. 6,057,031 to Hoekstra et al. Discloses the use of multiple laser beams prior to the scoring beam to increase the scoring speed. U.S. Pat. No. 6,057,076 teaches a similar approach based on using several beams to increase the scoring speed.

分離ステップでは、上述したように開口クラックに加えられる曲げモーメントにより、またはレーザにより刻線を加熱して引張応力を生成することにより、開口クラックを深くしていた。たとえば、特許文献5には、スコアリングビームの後方を進む円形または楕円形状の第2レーザビームを用いることが記載されている。   In the separation step, the opening crack is deepened by a bending moment applied to the opening crack as described above or by generating a tensile stress by heating the score line with a laser. For example, Patent Document 5 describes using a circular or elliptical second laser beam that travels behind a scoring beam.

米国特許第5,692,284号明細書US Pat. No. 5,692,284 米国特許第5,776,220号明細書US Pat. No. 5,776,220 米国特許第6,211,488号明細書US Pat. No. 6,211,488 米国特許第6,800,831号明細書US Pat. No. 6,800,831 米国特許第6,541,730号明細書US Pat. No. 6,541,730

上述した技法は、概して、スコアリング機能および分離機能の両方を達成するためにいくつかのステップおよび/またはレーザビームを必要とする。こうした複数ステップ、複数ビーム方法では、費用が加算し、スコアリングおよび分離プロセスの光学的実装が複雑になる。必要なのは、複数の放射線源からの複数のビームによる複雑さが追加されることなく、単一ステップで脆性材料(たとえばガラス基板)に対しスコアリングおよび分離を行う非接触方法である。   The techniques described above generally require several steps and / or laser beams to achieve both scoring and separation functions. Such multi-step, multi-beam methods add cost and complicate the optical implementation of the scoring and separation process. What is needed is a non-contact method of scoring and separating a brittle material (eg, a glass substrate) in a single step without adding the complexity of multiple beams from multiple radiation sources.

本発明により、放射線ビームの一回通過での、かつ単一放射源のみを用いる、脆性材料の板のスコアリングおよび分離が可能になる。   The present invention allows scoring and separation of plates of brittle material in a single pass of the radiation beam and using only a single radiation source.

本発明の一実施形態によれば、脆性材料の板を提供するステップと、板の上に細長い放射ゾーンを形成するステップと、板の上に放射ゾーンと交差する冷却ゾーンを形成することにより、放射ゾーンのスコアリング部分および分離部分を形成するステップと、板と交差する放射ゾーンおよび冷却ゾーンとの間に相対移動をもたらすことにより、板にスコアリングを施しかつ板を分離するステップと、を含む、脆性材料の板を分離する方法が開示されている。有利には、脆性材料の板に対し、脆性材料の表面上の放射ゾーンおよび冷却ゾーンの一回通過で、スコアリングおよび分離が行われ、放射ゾーンおよび冷却ゾーンは、スコアリングおよび分離中に一定の空間的関係を有することが好ましい。脆性材料はガラス板または基板であることが好ましい。   According to an embodiment of the present invention, providing a plate of brittle material, forming an elongated radiant zone on the plate, and forming a cooling zone on the plate that intersects the radiant zone, Scoring and separating the plates by forming a scoring portion and a separation portion of the radiation zone and providing relative movement between the radiation zone and the cooling zone intersecting the plate. A method for separating a plate of brittle material is disclosed. Advantageously, scoring and separation is performed on the plate of brittle material with a single pass of the radiation zone and cooling zone on the surface of the brittle material, the radiation zone and cooling zone being constant during scoring and separation. It is preferable to have the following spatial relationship. The brittle material is preferably a glass plate or a substrate.

別の実施形態では、脆性材料の板を提供するステップと、板の表面に細長いレーザビームを照射することにより、板の上に細長い放射ゾーンを形成するステップと、板上に放射ゾーンの部分的に重なる冷却ゾーンを形成するステップと、脆性材料の板と部分的に重なる放射ゾーンおよび冷却ゾーンとの相対移動をもたらすことにより、板にスコアリングを施しかつ板を分離するステップとを含む、脆性材料を分離する方法が記載されている。   In another embodiment, providing a plate of brittle material, forming an elongate radiation zone on the plate by irradiating the surface of the plate with an elongate laser beam, and a portion of the radiation zone on the plate. Forming a cooling zone that overlaps the plate, and scoring the plate and separating the plate by providing relative movement between the radiation zone and the cooling zone that partially overlap the plate of brittle material. A method for separating materials is described.

さらに別の実施形態では、脆性材料にスコアリングを施しかつ脆性材料を分離する装置は、レーザ源と、レーザ源が放出するレーザビームを細長いビームになるように変形し、細長いビームを脆性材料の表面上に向け、それにより、材料の上に単一放射ゾーンを形成する、少なくとも1つの光学系と、冷却剤流を脆性材料の表面に衝突するように向けるノズルであって、衝突する冷却剤が、放射ゾーンの移動方向に対して放射ゾーンの先行部分と後続部分とをもたらすように放射ゾーンと交差する、ノズルと、脆性材料と交差する放射ゾーンおよび衝突する冷却剤との相対移動をもたらすことにより、放射ゾーンおよび衝突する冷却剤の一回通過の間に脆性材料に対しスコアリングを施しかつ脆性材料を分離する、移送装置と、を備える。   In yet another embodiment, an apparatus for scoring and separating a brittle material deforms the laser source and the laser beam emitted by the laser source into an elongated beam, and converts the elongated beam into the brittle material. At least one optical system that directs onto the surface, thereby forming a single radiation zone on the material, and a nozzle that directs the coolant stream to impinge on the surface of the brittle material, the impinging coolant Provides relative movement of the nozzle, the radiating zone intersecting the brittle material and the impinging coolant intersecting the radiating zone to provide a leading and trailing portion of the radiating zone relative to the direction of movement of the radiating zone And a transfer device for scoring and separating the brittle material during a single pass of the radiant zone and impinging coolant.

本発明を実施することにより、ガラス板等の脆性材料を分離するために必要な器具の複雑性を低減し、スコアリング/分離ビームの一回通過でスコアリング機能を分離機能と結合することにより、脆性材料を分離するために必要な時間を低減し、スコアリング機能の分離機能との正確な位置合せ(すなわち、ビームのスコアリング部分とビームの分離部分との位置合せ)を提供することにより、スコアリングおよび分離プロセスの有効性を向上させ、材料の機械的スコアリングの必要と発生する固有のチッピングとをなくすことにより、分離された材料の縁の品質を向上させることができる。   By practicing the present invention, by reducing the complexity of instruments required to separate brittle materials such as glass plates, and combining the scoring function with the separation function in a single pass of the scoring / separation beam By reducing the time required to separate the brittle material and providing accurate alignment with the separation function of the scoring function (ie alignment of the scoring part of the beam with the separation part of the beam) By improving the effectiveness of the scoring and separation process, and eliminating the need for mechanical scoring of the material and the inherent chipping that occurs, the quality of the edges of the separated material can be improved.

本発明の実施形態を、脆性材料の板を個々に割断するようにオフラインで用いてもよく、またはガラス板を作製する製造工程におけるようにオンラインで用いてもよい。たとえば、本発明の実施形態を、移動するガラスのリボンから個々のガラス板を取り除く(分離する)ために、フュージョンダウンドローガラス板プロセス等のダウンドローガラス形成工程の一部として導入することができ、それにより現行の機械的スコアリング工程および破断工程に置き換わることができる。   Embodiments of the present invention may be used off-line to individually break the plates of brittle material, or on-line as in the manufacturing process for making glass plates. For example, embodiments of the present invention can be introduced as part of a downdraw glass forming process, such as a fusion downdraw glass plate process, to remove (separate) individual glass plates from a moving glass ribbon. , Thereby replacing current mechanical scoring and breaking processes.

上述した概略説明および以下の詳細な説明はともに、本発明の実施形態を提示し、請求項に記載されている発明の性質および特徴を理解するための概要および枠組みを提供するように意図されている、ということが理解されるべきである。添付図面は、本発明がさらに理解されるように含まれており、本明細書に組み込まれかつその一部を構成している。図面は、本発明の例示的な実施形態を図示し、説明とともに、本発明の原理および動作を説明する役割を果たす。   Both the foregoing general description and the following detailed description are intended to present embodiments of the invention and provide an overview and framework for understanding the nature and features of the claimed invention. It should be understood that The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles and operations of the invention.

本発明の一実施形態によるガラス板またはガラス基板を分離する装置の概略図である。1 is a schematic view of an apparatus for separating a glass plate or a glass substrate according to an embodiment of the present invention. レーザが放出するレーザビームがガラス基板の表面に入射する時に、レーザが基板の表面上に形成する、「放射ゾーン」の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a “radiation zone” that a laser forms on a surface of a substrate when a laser beam emitted by the laser is incident on the surface of the glass substrate. 図1の、レーザビームがガラス基板の表面に入射する領域の拡大斜視図である。FIG. 2 is an enlarged perspective view of a region of FIG. 1 where a laser beam is incident on the surface of a glass substrate. 冷却剤の噴流が入射レーザビームの一部と重なり、放射ゾーンが略二分される実施形態を示す。Fig. 4 shows an embodiment in which a jet of coolant overlaps with a part of the incident laser beam and the radiation zone is approximately bisected. 冷却剤の噴流が入射レーザビームの一部と重なり、ビームの前縁が後縁より短い実施形態を示す。FIG. 4 illustrates an embodiment in which a jet of coolant overlaps a portion of an incident laser beam and the beam leading edge is shorter than the trailing edge. 開口クラックがいかにレーザ放射ゾーンの先行部分によりガラス基板内を部分的にのみ伝播されるかを示す、ガラス基板の断面図を示す。FIG. 3 shows a cross-sectional view of a glass substrate showing how open cracks are only partially propagated in the glass substrate by the preceding part of the laser emission zone. 開口クラックがいかに放射ゾーンの後続部分によりガラスの厚さ全体にわたって伝播されるかを示す、ガラス基板の断面図を示す。FIG. 3 shows a cross-sectional view of a glass substrate showing how open cracks are propagated through the entire thickness of the glass by the subsequent part of the radiation zone. 衝突する冷却剤によって生成される冷却ゾーンによって分離される2つの細長い放射ゾーンをもたらすために、単一レーザビームがマスクされる、本発明による別の実施形態の平面図である。FIG. 6 is a plan view of another embodiment according to the present invention in which a single laser beam is masked to provide two elongate radiation zones separated by a cooling zone created by impinging coolant.

以下の詳細な説明では、限定ではなく説明の目的で、所定の詳細を開示している実施形態例を、本発明が完全に理解されるために示している。しかしながら、本開示の利益を得る当業者には、本発明を、本明細書において開示する所定の詳細から逸脱する他の実施形態で実施してもよい、ということが明らかとなろう。さらに、本発明の説明を不明瞭にしないように、周知の装置、方法および材料の説明は省略している場合もある。最後に、該当する場合は、同様の参照数字は同様の要素を指す。   In the following detailed description, for purposes of explanation and not limitation, example embodiments disclosing certain details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, it will be apparent to those skilled in the art having the benefit of this disclosure that the present invention may be practiced in other embodiments that depart from the specific details disclosed herein. Furthermore, descriptions of well-known devices, methods, and materials may be omitted so as not to obscure the description of the present invention. Finally, where applicable, like reference numerals refer to like elements.

図1を参照すると、本発明の一実施形態による脆性材料を割断する装置10が示されている。脆性材料は、たとえば、ガラス品、セラミック品またはガラスセラミック品であり得る。さらなる説明の目的で、以下、ガラス基板、および特に液晶ディスプレイの製造に用いられるのに好適なガラス板を想定しそれについて説明する。しかしながら、本発明は、他の製品のスコアリングおよび分離にも適用可能であることが留意されるべきである。   Referring to FIG. 1, an apparatus 10 for cleaving brittle material according to one embodiment of the present invention is shown. The brittle material can be, for example, a glass article, a ceramic article or a glass ceramic article. For the purpose of further explanation, a glass substrate and in particular a glass plate suitable for use in the manufacture of liquid crystal displays will be assumed and described below. However, it should be noted that the present invention is applicable to scoring and separation of other products.

装置10は、ガラス基板(ガラス板)に放射線を照射する光送達システム12と、冷却剤ノズル16、冷却剤源18、および冷却剤をノズル16に搬送するために必要な関連する配管20を備えた、冷却流体吐出システムとを備えている。光送達システム12は、放射線源22、円形偏光子24、ビームエキスパンダ26およびビーム整形系28を備えている。   The apparatus 10 includes a light delivery system 12 that irradiates a glass substrate (glass plate) with radiation, a coolant nozzle 16, a coolant source 18, and associated piping 20 necessary to transport the coolant to the nozzle 16. And a cooling fluid discharge system. The light delivery system 12 includes a radiation source 22, a circular polarizer 24, a beam expander 26 and a beam shaping system 28.

光送達システム12はさらに、ミラー34、36および38等、放射線源22からの放射線のビーム32の方向を変える光学素子を有していてもよい。放射源22は、ビームがガラス基板上に入射する位置においてガラス基板を加熱するのに好適な波長および出力を有するレーザビームを放出するレーザであることが好ましい。一実施形態では、レーザ22は、10.6μmの波長でかつ100ワット以上の出力で動作するCOレーザである。 The light delivery system 12 may further include optical elements that redirect the beam 32 of radiation from the radiation source 22, such as mirrors 34, 36 and 38. The radiation source 22 is preferably a laser that emits a laser beam having a wavelength and output suitable for heating the glass substrate at a position where the beam is incident on the glass substrate. In one embodiment, laser 22 is a CO 2 laser operating at a wavelength of 10.6 μm and an output of 100 watts or greater.

レーザ22が放出するレーザビーム32は、通常、断面(すなわち、ビームの長手方向軸に対して直角なビームの断面)が実質的に円形である。光送達システム12は、ビームがガラス基板14上に入射する時に著しく細長い形状を有するようにレーザビーム32を変形させるように動作可能であり、それにより基板上に細長い痕跡(footprint)すなわち「放射ゾーン」40がもたらされる。放射ゾーンの境界は、ビーム強度がそのピーク値の1/eまで低減した点として確定される。ビーム32は円形偏光子24を通過し、その後、ビームエキスパンダ26を通過することによって拡大される。その後、拡大したレーザビームはビーム整形系28を通過して、基板の表面に細長い放射ゾーン40をもたらすビームを形成する。ビーム整形系28は、たとえば、1つまたは複数の円柱レンズを備えていてもよい。しかしながら、レーザ22が放出するビームを基板14上に細長い放射ゾーンをもたらすように整形することができるいかなる光学素子を用いてもよい、ということが理解されるべきである。図2に放射ゾーン40の概略図を示す。放射ゾーン40の長軸は、短軸44より実質的に長いことが好ましい。実施形態によっては、たとえば、長軸42は、短軸44の少なくとも約10倍の長さである。好ましい実施形態によっては、放射ゾーン40の長軸42は、長さが少なくとも約100mmであるが、少なくとも約200mmかまたはさらには300mmより長くてもよく、短軸44は、通常約2mm未満であり、1.5mm程度かまたはそれより短いかまたはさらには1mmであってもよい。しかしながら、放射ゾーン40の長さおよび幅は、所望のスコアリング/分離速度(ビーム並進速度)、ガラス板の厚さ、レーザ出力等によって決まり、放射ゾーンの長さおよび幅を必要に応じて変更してもよい。 The laser beam 32 emitted by the laser 22 is typically substantially circular in cross section (ie, the cross section of the beam perpendicular to the longitudinal axis of the beam). The light delivery system 12 is operable to deform the laser beam 32 to have a significantly elongated shape when the beam is incident on the glass substrate 14, thereby creating an elongated footprint or “radiation zone” on the substrate. "40 is provided. The boundary of the radiation zone is defined as the point where the beam intensity has been reduced to 1 / e 2 of its peak value. Beam 32 passes through circular polarizer 24 and is then expanded by passing through beam expander 26. The expanded laser beam then passes through a beam shaping system 28 to form a beam that provides an elongated radiation zone 40 at the surface of the substrate. The beam shaping system 28 may comprise, for example, one or more cylindrical lenses. However, it should be understood that any optical element capable of shaping the beam emitted by the laser 22 to provide an elongated radiation zone on the substrate 14 may be used. FIG. 2 shows a schematic diagram of the radiation zone 40. The major axis of the radiant zone 40 is preferably substantially longer than the minor axis 44. In some embodiments, for example, the major axis 42 is at least about 10 times as long as the minor axis 44. In some preferred embodiments, the major axis 42 of the radiating zone 40 is at least about 100 mm in length, but may be at least about 200 mm or even longer than 300 mm, and the minor axis 44 is typically less than about 2 mm. , About 1.5 mm or less, or even 1 mm. However, the length and width of the radiation zone 40 depends on the desired scoring / separation speed (beam translation speed), glass plate thickness, laser power, etc., and the length and width of the radiation zone can be changed as needed. May be.

図3に最もよく示すように、冷却剤ノズル16は、冷却流体の噴流46をガラス基板14の表面47に吐出する。実施形態によっては、ノズル16は、内径がおよそ数100マイクロメートル(たとえば200μm〜300μm)であり、ガラスの表面において直径が通常約300μm〜400μmである実質的に平行な冷却剤の噴流を放出する。しかしながら、放射ゾーン40と同様に、ノズル16の直径および冷却剤噴流46の実質的な直径を、特定のプロセス条件に対する必要に応じて変更してもよい。実施形態によっては、冷却剤が直接衝突するガラス基板の領域(冷却ゾーン)は、直径が放射ゾーンの短軸より短いことが好ましい。しかしながら、他の実施形態によっては、冷却ゾーンの直径は、速度、ガラス厚さ、レーザ出力等のプロセス条件に基づいて、放射ゾーン40の短軸より大きくてもよい。実際には、冷却剤噴流の(断面)形状は、円形以外であってもよく、たとえば、冷却ゾーンがガラス板の表面に円形スポットではなく線を形成するように扇形であってもよい。線形状の冷却ゾーンを、たとえば放射ゾーン40の長軸に対して垂直に向けてもよい。他の形状も有益であり得る。   As best shown in FIG. 3, the coolant nozzle 16 discharges a jet 46 of cooling fluid onto the surface 47 of the glass substrate 14. In some embodiments, the nozzle 16 emits a substantially parallel coolant jet having an inner diameter of approximately several hundred micrometers (eg, 200 μm to 300 μm) and a diameter of typically about 300 μm to 400 μm on the surface of the glass. . However, as with the radiant zone 40, the diameter of the nozzle 16 and the substantial diameter of the coolant jet 46 may be varied as needed for specific process conditions. In some embodiments, it is preferred that the area of the glass substrate (cooling zone) directly impacted by the coolant is shorter in diameter than the short axis of the radiation zone. However, in other embodiments, the diameter of the cooling zone may be larger than the minor axis of the emission zone 40 based on process conditions such as speed, glass thickness, laser power, and the like. Actually, the (cross-sectional) shape of the coolant jet may be other than circular, for example, the cooling zone may be fan-shaped so that a line is formed on the surface of the glass plate instead of a circular spot. The linear cooling zone may be oriented perpendicular to the long axis of the radiation zone 40, for example. Other shapes may be beneficial.

冷却剤噴流46は水を含むことが好ましいが、ガラス基板の表面47を汚損するかまたは破損することのない任意の好適な冷却流体であってもよい。本発明によれば、冷却流体噴流46は、ガラス基板14の表面に吐出され、それにより、放射ゾーン40と交差するかまたはその一部に重なる冷却ゾーン52を形成し、放射ゾーンを2つの部分、すなわち冷却ゾーンの前方の先行部分48および冷却ゾーンの後方の後続部分50に有効に分離する。ここで、先行部分および後続部分はともに、矢印54によって示すビームが進む方向に対するものであり、先行部分および後続部分は、冷却ゾーン52によって分離されている。「冷却ゾーンの前方」という用語は、図4Aおよび図4Bにおいて、破線に添付された矢印によって示すように、冷却ゾーン52の左側に接する破線の前方を意味する。同様に、「冷却ゾーンの後方」は、図4Aおよび図4Bにおいて、破線に添付された矢印によって示すように、冷却ゾーン52の右側に接する破線の後方すなわち右側を指す。冷却ゾーン52は、スコアリングおよび/または分離プロセスを最適化する必要に応じて、図4Aに示すように、放射ゾーンの中心点またはその近くにおいて放射ゾーン40と重なってもよく、または、図4Bに示すように、放射ゾーン40の一方の端部よりももう一方の端部の方に近くてもよい。   The coolant jet 46 preferably includes water, but may be any suitable cooling fluid that does not foul or break the surface 47 of the glass substrate. In accordance with the present invention, the cooling fluid jet 46 is ejected onto the surface of the glass substrate 14, thereby forming a cooling zone 52 that intersects or overlaps the radiation zone 40, which is divided into two parts. That is, it effectively separates into a leading portion 48 in front of the cooling zone and a trailing portion 50 behind the cooling zone. Here, both the preceding part and the following part are for the direction of travel of the beam indicated by the arrow 54, and the preceding part and the following part are separated by the cooling zone 52. The term “front of the cooling zone” means the front of the broken line that touches the left side of the cooling zone 52 as shown by the arrow attached to the broken line in FIGS. 4A and 4B. Similarly, “behind the cooling zone” refers to the rear or right side of the broken line in contact with the right side of the cooling zone 52 as shown by the arrow attached to the broken line in FIGS. 4A and 4B. The cooling zone 52 may overlap the radiant zone 40 at or near the center point of the radiant zone, as shown in FIG. 4A, or as required to optimize the scoring and / or separation process, or FIG. 4B. As shown in FIG. 4, the radiation zone 40 may be closer to the other end than the one end.

基板14に対しスコアリングおよび分離を行うために、装置10はさらに、ガラス基板14と基板に入射するビーム32(すなわち放射ゾーン40)との相対移動をもたらす手段を備えることができる。これを、基板14をビーム32に対して移動させることにより、またはビーム32(したがって放射ゾーン40)を基板に対して移動させることにより、達成することができる。大きい基板、たとえば数平方メートルを超える基板47の面積に対応する寸法を有する基板の場合、ビームの移動が好ましい可能性がある。これは特に、非常に大きい薄板の場合に当てはまる。たとえば、光ディスプレイの製造に用いられる基板は、厚さが1mm未満、多くの場合約0.7mm未満である可能性があり、10平方メートルを超える場合がある。こうした非常に薄いガラスの大きい板を移動させることは実際的でない可能性がある。板を移動させることが実際的でない場合、xyリニアステージまたはガントリシステム等、好適なステージに光送達システム12を取り付けてもよく、それにより、ビーム32および冷却剤46をガラス基板14にわたって横断させることができる。放射ゾーン40および冷却ゾーン52は、それらの関係が実質的に一定であり続けるように同時に移動することが留意されるべきである。光送達システム12が大きすぎる場合、この手法でさえも実際的でない可能性がある。別法として、スコアリングおよび分離プロセス中、光学部品の多くおよびガラス基板14を固定して維持し、レーザビーム32を「浮動ヘッド(flying head)」に向けてもよく、浮動ヘッドは、レーザビーム32をガラス基板14上に向けるように、ガラス基板14に対してかつそれと実質的に平行に並進する。たとえば、浮動ヘッド56は、ビーム整形系28およびミラー38を備えていてもよい。この場合、浮動ヘッドのみが、ビームの方向を変えビームを基板にわたって横断させるように移動すればよい。板または光送達システム12または浮動ヘッド56のみを移動させる方法は、本技術分野において周知であり、これ以上は説明しない。   In order to scoring and separating the substrate 14, the apparatus 10 may further comprise means for providing relative movement between the glass substrate 14 and the beam 32 incident on the substrate (ie, the radiation zone 40). This can be achieved by moving the substrate 14 relative to the beam 32 or by moving the beam 32 (and thus the radiation zone 40) relative to the substrate. For large substrates, such as those having dimensions corresponding to the area of the substrate 47 exceeding several square meters, beam movement may be preferred. This is especially true for very large sheets. For example, substrates used in the manufacture of optical displays can have a thickness of less than 1 mm, often less than about 0.7 mm, and can exceed 10 square meters. It may not be practical to move such a large sheet of very thin glass. If it is not practical to move the plate, the light delivery system 12 may be attached to a suitable stage, such as an xy linear stage or a gantry system, thereby traversing the beam 32 and coolant 46 across the glass substrate 14. Can do. It should be noted that the radiant zone 40 and the cooling zone 52 move simultaneously so that their relationship remains substantially constant. If the light delivery system 12 is too large, even this approach may not be practical. Alternatively, during the scoring and separation process, many of the optical components and the glass substrate 14 may be held stationary and the laser beam 32 may be directed to a “flying head”, which is the laser beam Translates with respect to and substantially parallel to the glass substrate 14 such that 32 is directed onto the glass substrate 14. For example, the floating head 56 may include a beam shaping system 28 and a mirror 38. In this case, only the floating head need be moved to change the direction of the beam and to traverse the beam across the substrate. Methods for moving only the plate or light delivery system 12 or floating head 56 are well known in the art and will not be described further.

放射ゾーン40は、基板14の表面47にわたって横断する際、ガラス基板14を加熱する。冷却剤噴流46を放射ゾーン40と交差するように表面47上に衝突させることにより、一部に重なる冷却ゾーン52をもたらすことによって、放射ゾーン40が2つの部分48および50に有効に分離される。図4Aに示すように、放射ゾーン40が矢印54に示す方向に横断する際、放射ゾーン40の先行部分48がスコアリング機能を行い、放射ゾーン40の後続部分50が分離機能を行う。放射ゾーン40の先行部分48がスコアリング経路59(図3)に沿って基板を横断する際、基板は加熱される。冷却剤噴流46が基板の加熱部分を(冷却ゾーン52を介して)迅速に冷却する、すなわち急冷することにより、図5Aに示すように、基板の入射面47(レーザビーム32が入射する面)からガラス板14の本体内の一部の深さまで延在する開口クラック60が形成される。すなわち、開口クラック60は、基板の厚さにわたって部分的にのみ横断する。そして、放射ゾーンの先行部分の直後に続く放射ゾーンの後続部分50が基板の急冷部分を再加熱し、図5Bに示すように開口クラックが基板の厚さ全体に延在し、それにより、基板が線59(図3)に沿って分離される。   The radiation zone 40 heats the glass substrate 14 as it traverses across the surface 47 of the substrate 14. The radiant zone 40 is effectively separated into two parts 48 and 50 by impinging a coolant jet 46 on the surface 47 across the radiant zone 40 to provide a partially overlapping cooling zone 52. . As shown in FIG. 4A, when the radiant zone 40 crosses in the direction indicated by the arrow 54, the leading portion 48 of the radiating zone 40 performs the scoring function and the trailing portion 50 of the radiating zone 40 performs the separation function. As the leading portion 48 of the radiant zone 40 traverses the substrate along the scoring path 59 (FIG. 3), the substrate is heated. The coolant jet 46 rapidly cools the heated portion of the substrate (via the cooling zone 52), i.e., rapidly cools, so that the substrate entrance surface 47 (surface upon which the laser beam 32 is incident), as shown in FIG. 5A. Opening cracks 60 extending to a partial depth in the main body of the glass plate 14 are formed. That is, the open crack 60 only partially traverses the thickness of the substrate. Then, the subsequent portion 50 of the radiant zone that immediately follows the preceding portion of the radiant zone reheats the quench portion of the substrate, and the open crack extends through the entire thickness of the substrate, as shown in FIG. Are separated along line 59 (FIG. 3).

分離速度(たとえば、基板の表面上のビームの横断速度)を、たとえば、放射ゾーン40に対して、冷却剤噴流46が基板14上に入射する箇所52の位置を変えることによって制御することができる。たとえば、冷却ゾーン52を、スコアリングおよび/または分離を最適化するように、放射ゾーン40の任意の特定の端部により近くにまたはそこからより遠くに配置する(すなわち、中心から外れるように配置する)ことができる。   The separation speed (eg, the crossing speed of the beam on the surface of the substrate) can be controlled, for example, by changing the position of the point 52 where the coolant jet 46 is incident on the substrate 14 with respect to the radiation zone 40. . For example, the cooling zone 52 is positioned closer to or farther from any particular end of the radiating zone 40 to optimize scoring and / or separation (ie, positioned off center). can do.

本発明による図6に示す別の実施形態では、レーザビーム32の一部をマスクしてもよく、それにより、単一ビームから2つの同一線上の細長い放射ゾーン64、66が形成される。同一線上とは、各放射ゾーンの長(最長)軸が単一線上にあることを意味する。ビーム32のマスキングを、たとえばビーム32の経路に適当な形状の障害物(マスク(図示せず))を配置することによって達成することができる。そして、冷却剤噴流46をガラス基板14上に向けることにより、放射ゾーン64、66間のビーム32のマスクされた部分68内に冷却ゾーン52をもたらすことができる。先の実施形態と同様に、マスク領域の配置、およびその後のマスク部分内の冷却ゾーン52の配置を用いて、ビームおよび冷却剤によってもたらされる熱勾配と、続く初期スコアリング開口クラックの深さとを制御することができる。先の実施形態のように、ビーム32および冷却剤噴流46は、放射ゾーン(複数可)と冷却ゾーンとの相対移動が起こらないように同時に移動する。   In another embodiment shown in FIG. 6 according to the present invention, a portion of the laser beam 32 may be masked, thereby forming two collinear elongated radiation zones 64, 66 from a single beam. By collinear means that the long (longest) axis of each radiation zone is on a single line. The masking of the beam 32 can be accomplished, for example, by placing an appropriately shaped obstacle (mask (not shown)) in the path of the beam 32. The coolant jet 46 can then be directed onto the glass substrate 14 to provide a cooling zone 52 in the masked portion 68 of the beam 32 between the radiating zones 64, 66. Similar to the previous embodiment, using the arrangement of the mask area and the subsequent arrangement of the cooling zone 52 in the mask portion, the thermal gradient provided by the beam and coolant and the depth of the initial scoring opening crack that follows. Can be controlled. As in the previous embodiment, the beam 32 and the coolant jet 46 move simultaneously so that relative movement between the radiation zone (s) and the cooling zone does not occur.

本発明の上述した実施形態、特に任意の「好ましい」実施形態は単に、単に本発明の原理が明確に理解されるために示した実施態様のあり得る例であることが強調されるべきである。本発明の精神および原理から実質的に逸脱することなく、本発明の上述した実施形態に対し多くの変形および変更があり得る。こうした変更および変形はすべて、本明細書において本開示および本発明の範囲内に含まれ、以下の特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。   It should be emphasized that the above-described embodiments of the invention, in particular any "preferred" embodiment, are merely possible examples of embodiments shown for a clear understanding of the principles of the invention. . There may be many variations and modifications to the above-described embodiments of the invention without departing substantially from the spirit and principles of the invention. All such modifications and variations are intended to be included herein within the scope of this disclosure and the present invention and protected by the following claims.

Claims (10)

脆性材料を分離する方法であって、
脆性材料の板を提供するステップと、
前記板の上に細長い放射ゾーンを形成するステップと、
前記板の上に前記放射ゾーンと交差する冷却ゾーンを形成することにより、前記放射ゾーンに先行部分と冷却ゾーンからなるスコアリング部分、および、後続部分からなる分離部分を形成するステップと、
前記板と前記交差する放射ゾーンおよび冷却ゾーンとの間に相対移動をもたらすことにより、前記板に対しスコアリングを施しかつ前記板を分離するステップとを含み、
前記スコアリングを施しかつ前記板を分離するステップは、
(1)前記板を前記放射ゾーンの先行部分を介して加熱し、前記板の当該加熱された箇所を冷却ゾーンを介して急冷し、前記板の一部厚みまで延在する開口クラックを形成し、
(2)前記急冷された箇所を、前記放射ゾーンの後続部分を介して再加熱し、前記開口クラックを前記板の厚み全体にわたって延在させることにより、当該再加熱後のいかなる操作もなしに、前記脆性材料の板を完全に分離する
ものであることを特徴とする、方法。
A method for separating brittle materials,
Providing a plate of brittle material;
Forming an elongated radiation zone on the plate;
Forming a cooling zone on the plate that intersects the radiation zone to form a scoring portion comprising a preceding portion and a cooling zone and a separation portion comprising a subsequent portion in the radiation zone;
Scoring the plate and separating the plate by providing relative movement between the plate and the intersecting radiation and cooling zones;
Applying the scoring and separating the plates comprises:
(1) The plate is heated through a leading portion of the radiation zone, the heated portion of the plate is rapidly cooled through a cooling zone, and an open crack extending to a partial thickness of the plate is formed. ,
(2) Reheating the quenched portion through the subsequent portion of the radiation zone and extending the open crack throughout the thickness of the plate, without any manipulation after the reheating, A method characterized in that it completely separates the plates of brittle material.
細長い放射ゾーンを形成する前記ステップが、前記板にレーザビームを照射するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of forming an elongated emission zone comprises irradiating the plate with a laser beam. 前記スコアリング部分および前記分離部分の長さが異なることを特徴とする、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the scoring portion and the separation portion have different lengths. 冷却ゾーンを形成する前記ステップが、前記板の上に冷却流体を衝突させるステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of forming a cooling zone comprises impinging a cooling fluid on the plate. 前記脆性材料がガラスまたはガラスセラミックであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the brittle material is glass or glass ceramic. 前記スコアリング部分および前記分離部分の長さが等しいことを特徴とする、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the scoring portion and the separation portion are equal in length. 脆性材料に対しスコアリングを施しかつ前記脆性材料を分離する装置であって、
レーザ源と、
前記レーザ源が放出するレーザビームを細長いビームになるように変形し、前記細長いビームを前記脆性材料の表面上に向け、それにより、前記材料の上に放射ゾーンを形成する、少なくとも1つの光学系と、
冷却剤流を前記脆性材料の前記表面に衝突するように向けるノズルであって、前記衝突する冷却剤が、前記放射ゾーンの移動方向に対して前記放射ゾーンの先行部分と後続部分との間で前記放射ゾーンと交差する、ノズルと、
前記脆性材料と前記交差する放射ゾーンおよび衝突する冷却剤との相対移動をもたらすことにより、前記放射ゾーンおよび衝突する冷却剤の一回通過の間に前記脆性材料にスコアリングを施しかつ前記脆性材料を分離する、移送装置と、
を具備し、
前記移送装置は、
(1)前記板を前記放射ゾーンの先行部分を介して加熱し、前記板の当該加熱された箇所を冷却ゾーンを介して急冷し、前記板の一部厚みまで延在する開口クラックを形成し、
(2)前記急冷された箇所を、前記放射ゾーンの後続部分を介して再加熱し、前記開口クラックを前記板の厚み全体にわたって延在させることにより、当該再加熱後のいかなる操作もなしに、前記脆性材料の板を完全に分離する
ように構成されることを特徴とする、装置。
An apparatus for scoring a brittle material and separating the brittle material,
A laser source;
At least one optical system that transforms a laser beam emitted by the laser source into an elongated beam, directing the elongated beam onto the surface of the brittle material, thereby forming a radiation zone on the material When,
A nozzle that directs a coolant stream to impinge on the surface of the brittle material, the impinging coolant being between the leading and trailing portions of the radiation zone relative to the direction of movement of the radiation zone A nozzle intersecting the radiation zone;
Scoring the brittle material during one pass of the radiant zone and the impinging coolant by providing relative movement between the brittle material and the intersecting radiant zone and the impinging coolant, and the brittle material Separating the transfer device;
Comprising
The transfer device is
(1) The plate is heated through a leading portion of the radiation zone, the heated portion of the plate is rapidly cooled through a cooling zone, and an open crack extending to a partial thickness of the plate is formed. ,
(2) Reheating the quenched portion through the subsequent portion of the radiation zone and extending the open crack throughout the thickness of the plate, without any manipulation after the reheating, An apparatus configured to completely separate the plates of brittle material.
前記冷却剤が、前記放射ゾーンの中心点に衝突することを特徴とする、請求項7に記載の装置。   8. A device according to claim 7, characterized in that the coolant impinges on a central point of the radiation zone. 前記冷却剤が、前記放射ゾーンの一方の端部よりももう一方の端部の近くに衝突することを特徴とする、請求項7に記載の装置。   8. A device according to claim 7, characterized in that the coolant impinges closer to the other end than to one end of the radiation zone. 前記レーザビームの一部をマスクするマスクをさらに具備することを特徴とする、請求項7に記載の装置。   The apparatus according to claim 7, further comprising a mask for masking a part of the laser beam.
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